工程測量教案第七章全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)簡介

工程測量劉娟編寫第七章全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)簡介

?全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成?全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的基本原理?GPS接收機(jī)的組成和原理?GPS測量的實(shí)施GPS（GlobalPositioningSystem）即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是美國國防部于1973年12月正式批準(zhǔn)陸、海、空三軍共同研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)可提供一天24小時(shí)全球定位服務(wù)，能為用戶提供高精度的七維信息（三維位置、三維速度、一維時(shí)間）。GPS的建成是導(dǎo)航與定位史上的一項(xiàng)重大成就，是繼美國“阿波羅”登月飛船、航天飛機(jī)后的第三大航天工程。目前，GPS被廣泛應(yīng)用于地球動(dòng)力學(xué)的研究、測繪、導(dǎo)航、軍事、天氣預(yù)報(bào)等領(lǐng)域?！?.1全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成二、地面監(jiān)控部分GPS的地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由分布在全球的五個(gè)地面站組成，按其功能分為主控站（MCS）、注入站（GA）和檢測站（MS）。主控站一個(gè)，設(shè)在美國科羅拉多的聯(lián)合空間執(zhí)行中心（CSOS）。主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作，具體任務(wù)有：根據(jù)所有地面監(jiān)測站的資料推算編制各衛(wèi)星的星歷，衛(wèi)星鐘差和大氣層的修正參數(shù)等，并把這些數(shù)據(jù)和導(dǎo)航電文傳到注入站；提供全球定位系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)；調(diào)整衛(wèi)星狀態(tài)和啟用備用衛(wèi)星等。

GPS的地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由分布在全球的五個(gè)地面站組成，按其功能分為主控站（MCS）、注入站（GA）和檢測站（MS）。注入站又稱地面天線站，其主要任務(wù)是通過一臺(tái)直徑為3.6m的天線，將來自主控制站的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其它控制指令注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)，并檢測注入信息的正確性。注入站現(xiàn)有3個(gè)，分別設(shè)在印度洋、南太平洋和南大西洋的美軍基地上。

GPS的地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由分布在全球的五個(gè)地面站組成，按其功能分為主控站（MCS）、注入站（GA）和檢測站（MS）。監(jiān)測站共有5個(gè)。監(jiān)測站的主要任務(wù)連續(xù)觀測和接受所有GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)并監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài)，將采集到的數(shù)據(jù)連同當(dāng)?shù)氐臍庀笥^測資料和時(shí)間信息經(jīng)初步處理后傳送到主控站。

三、用戶設(shè)備部分全球定位系統(tǒng)的用戶設(shè)備部分包括GPS接收機(jī)硬件、數(shù)據(jù)接收軟件和微處理機(jī)及其終端設(shè)備等。GPS信號(hào)接收機(jī)是用戶設(shè)備部分的核心，一般由主機(jī)、天線和電源三部分組成，其主要功能是跟蹤接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，并進(jìn)行變換、放大處理，以便測量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間；解譯導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測站的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間。

§7.2全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的基本原理一、WGS-84世界大地坐標(biāo)系目前采用的WGS-84坐標(biāo)系是一個(gè)地心、地固坐標(biāo)系，其原點(diǎn)為地球質(zhì)心。坐標(biāo)系的定向與BIH（國際時(shí)間局）所定義的方向相一致，亦即該坐標(biāo)系的Z軸平行于協(xié)議地球極的方向，零子午圈平行于BIH所規(guī)定的零子午圈；X軸為WGS參考子午圈與平行于CTP赤道的平面的交線，當(dāng)然，該平面必通過WGS所定義的地球質(zhì)心，Y軸同X軸、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。二、GPS定位原理GPS定位的基本原理是：以GPS衛(wèi)星和用戶接收機(jī)天線之間距離的觀測量為基礎(chǔ)，根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)來確定用戶接收機(jī)所對應(yīng)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)（x，y，z），其實(shí)質(zhì)是以衛(wèi)星為“控制點(diǎn)”的距離交會(huì)法。由此可知，GPS定位的關(guān)鍵是測定用戶接收機(jī)天線至GPS衛(wèi)星之間的距離。§7.3GPS接收機(jī)的組成和原理GPS接收機(jī)的主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，并進(jìn)行處理，獲取導(dǎo)航電文和必要的觀測量。

GPS接收機(jī)的主要結(jié)構(gòu)組成天線（帶前置放大器）；信號(hào)處理器：用于信號(hào)識(shí)別與處理；微處理器：用于接收機(jī)的控制、數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航計(jì)算；用戶信息傳輸：包括操作板、顯示板等；精密震蕩器：產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率；電源。

接收機(jī)天線的類型：接收機(jī)天線有多種類型，其基本類型如下：①單極或偶極天線：屬于單頻天線，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，通常安裝在一塊基板上，減弱多路徑影響。②四線螺旋形或螺旋形結(jié)構(gòu)天線：屬于單頻天線，結(jié)構(gòu)較單極天線復(fù)雜，生產(chǎn)中難以調(diào)整，但增益性好，一般不需底板。③微波傳輸帶型天線：簡稱微帶天線。結(jié)構(gòu)最為簡單和堅(jiān)固，即可用于單頻，也可用于雙頻，天線高度低，是安裝在飛機(jī)上的理想天線。缺點(diǎn)是增益性低，但可采用低噪聲前置放大器加以彌補(bǔ)。

§7.4GPS測量的實(shí)施一、GPS控制網(wǎng)的精度指標(biāo)級(jí)別固定誤差a（mm）比例誤差系數(shù)AA≤3≤0.01A≤5≤0.1B≤8≤1C≤10≤5D≤10≤10E≤10≤20二、網(wǎng)形設(shè)計(jì)GPS網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)就是根據(jù)用戶要求，確定具體的布網(wǎng)觀測方案，其核心是高質(zhì)量、低成本地完成預(yù)定的測量任務(wù)。通常在進(jìn)行GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須顧及測站選址，衛(wèi)星選擇，儀器設(shè)備裝置與后勤交通保障等因素。當(dāng)網(wǎng)點(diǎn)位置、接收機(jī)數(shù)量確定后，網(wǎng)的設(shè)計(jì)就主要體現(xiàn)在觀測時(shí)間的確定、網(wǎng)形及各點(diǎn)設(shè)站觀測的次數(shù)等方面。三、選點(diǎn)、建標(biāo)志（1）測點(diǎn)周圍應(yīng)便于安置接收設(shè)備和操作，視野開闊，視場內(nèi)障礙物的高度角不宜超過15°。（2）遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺(tái)、電臺(tái)、微波站等），其距離不小于200m；遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電信號(hào)傳送通道，其距離不得小于50m。（3）附近不應(yīng)有強(qiáng)烈反射衛(wèi)星信號(hào)的物件（如大型建筑物等）。（4）交通方便，并有利于其它測量手段擴(kuò)展和聯(lián)測。（5）地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于點(diǎn)的保存。（6）AA，A，B級(jí)GPS點(diǎn)，應(yīng)選在能長期保存的地點(diǎn)。（7）充分利用符合要求的舊有控制點(diǎn)。（8）選站時(shí)應(yīng)盡可能使測站附近的小環(huán)境（地形、地貌、植被等）與周圍的大環(huán)境保持一致，以減少氣象元素的代表性誤差。四、外業(yè)觀測外業(yè)觀測是指利用GPS接收機(jī)采集來自GPS衛(wèi)星的電磁波信號(hào)，其作業(yè)過程大致可分為天線安置、接收機(jī)操作和觀測記錄。外業(yè)觀測應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)所擬定的觀測計(jì)劃進(jìn)行實(shí)施，只有這樣，才能協(xié)調(diào)好外業(yè)觀測的進(jìn)程，提高工作效率，保證測量成果的精度。為了順利的完成觀測任務(wù)，在外業(yè)觀測之前，還必須對所選定的接收設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)。五、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理1.數(shù)據(jù)預(yù)處理2.GPS基線向量的解算3.GPS網(wǎng)平差六、技術(shù)總結(jié)和上交資料1.外業(yè)技術(shù)總結(jié)（1）測區(qū)及其位置，自然地理?xiàng)l件，交通，通訊及供電情況；（2）任務(wù)來源，項(xiàng)目名稱，測區(qū)已有測量成果情況，本次施測的目的及基本精度要求；（3）施工單位，施測時(shí)間，技術(shù)依據(jù)，作業(yè)人員的數(shù)量及技術(shù)狀況等；（4）作業(yè)儀器類型、精度、檢驗(yàn)及使用狀況；（5）點(diǎn)位觀測質(zhì)量的評價(jià)，埋石與重合點(diǎn)情況；（6）聯(lián)測方法，完成各級(jí)點(diǎn)數(shù)量，補(bǔ)測與重測情況以及作業(yè)中存在問題的說明；（7）外業(yè)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與野外數(shù)據(jù)檢核情況。2.內(nèi)業(yè)技術(shù)總結(jié)（1）數(shù)據(jù)處理方案，所采用的軟件，所采用的星歷，起算數(shù)據(jù)，坐標(biāo)系統(tǒng)以及無約束，約束平差情況；（2）誤差檢驗(yàn)及相關(guān)參數(shù)與平差結(jié)果的精度估